DE3543020A1

DE3543020A1 - Verfahren zur herstellung von 4-(ethyl-(2'hydroxyethyl)-amino)-1-((2'-hydroxyethyl)-amino)-2-nitro-benzol

Info

Publication number: DE3543020A1
Application number: DE19853543020
Authority: DE
Inventors: Thomas Clausen; Isolde Loewe
Original assignee: Wella GmbH
Current assignee: Procter and Gamble Deutschland GmbH
Priority date: 1985-12-05
Filing date: 1985-12-05
Publication date: 1987-06-11
Also published as: US4900869A; US5132461A

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zur Herstellung von 4-[Ethyl-(2′-hydroxyethyl)- amino]-1-[(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol (I).

Die Verbindung der Formel (I) ist ein blauer Farbstoff, der aufgrund seiner hervorragenden Färbeeigenschaften sowie seiner guten physiologischen Verträglichkeit in Haarfärbemitteln verwendet werden kann.

Es sind bereits mehrere Verfahren zur Herstellung von substituierten Nitro-p-phenylendiaminen des Verbindungstyps der Formel (I) bekannt. Sie sind jedoch in vielerlei Hinsicht unbefriedigend. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, bestimmte Nitro-p-phenylendiamine durch Nitrierung der entsprechenden p-Phenylendiaminderivate herzustellen. Bei diesen Verfahren müssen jedoch vor der Nitrierung die Wasserstoffatome der Aminogruppe durch Acetylierung, Formylierung, Tosylierung, Oxalylierung oder Herstellung des Urethans geschützt werden. Nach erfolgter Nitrierung ist eine zusätzliche Hydrolysestufe zur Abspaltung dieser Schutzgruppen erforderlich. Dieses Verfahren ist demzufolge kompliziert und zeitaufwendig und führt nur in niedrigen Gesamtausbeuten zu den gewünschten Nitro-p-phenylendiaminderivaten, so daß dieses Verfahren auch vom wirtschaftlichen Standpunkt aus ungeeignet ist. Außerdem ist aus der GB-PS 8 67 220 und der Arbeit von J. F. Corbett und A. G. Fooks, J. Chem. Soc. (C), Seite 1136 bis 1138 (1967), bekannt, daß N-1-monosubstituierte 2-Nitro-p-phenylendiamine durch direkte Nitrierung von p-Phenylendiaminen nicht hergestellt werden können.

Bei einem anderen Verfahren werden 2,4-Dinitro-aniline katalytisch zu 2-Nitro-p-phenylendiaminen reduziert (vergleiche beispielsweise GB-PS 9 55 743). Hierbei kann sich während der Reduktion das isomere 4-Nitro-o-phenylendiamin bilden, dessen Abtrennung schwierig und zeitaufwendig ist.

In der DE-PS 17 68 999 wird ein Verfahren beschrieben, das eine Alkylierung an N-1 vermeidet. Jedoch ermöglicht dieses Verfahren nicht die Herstellung von Verbindungen, die an N-4 zwei verschiedene Alkyl- oder Hydroxyalkylreste besitzen. Außerdem verläuft die in der obengenannten Patentschrift beschriebene Austauschreaktion nur im Falle der 1-Fluorverbindung, nicht aber bei der entsprechenden Chlorverbindung, mit befriedigenden Ausbeuten.

Es bestand daher die Aufgabe, Verfahren zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und wirtschaftliche Herstellung der Verbindung der Formel (I) ermöglichen. Überraschenderweise wurden zwei neue Verfahren zur Herstellung von (I) gefunden, bei denen dieser Farbstoff in hohen Ausbeuten und in sehr reiner Form erhalten wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher zwei Verfahren zur Herstellung des Farbstoffes (I), wobei das Verfahren A, das in einer zweistufigen Reaktion auf dem unten beschriebenen Weg zur gewünschten Verbindung (I) führt, besonders vorteilhaft ist.

Verfahren A

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren A setzt man 1,4-Diamino- 2-nitro-benzol mit Chlorameisensäurechlorethylester in Gegenwart von Calciumcarbonat um. Anschließend wird das Umsetzungsprodukt alkalisch hydrolysiert und das nach der Neutralisation erhaltene 1,4-Bis-[(2′-hydfroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol mit Diethylsulfat zum Endprodukt (I) alkyliert.

Obwohl, wie oben beschrieben, die Alkylierung von Verbindungen des Typs (II) selten vollständig an N-1 verläuft, läßt sich durch die beschriebene Umsetzung von 1,4-Diamino- 2-nitro-benzol mit Chlorameisensäurechlorethylester problemlos eine gleichzeitige Monohydroxyethylierung an N-1 und N-4 erreichen. Das Verfahren der Monohydroxyethylierung mit Chlorameisensäurechlorethylester ist zwar bereits bekannt (siehe zum Beispiel DE-OS 29 24 089 und AT-PS 2 73 072), nicht zu erwarten war aber die problemlose und in hohen Ausbeuten verlaufende gleichzeitige Hydroxyethylierung an N-1 und N-4. Dieses Ergebnis ist umso überraschender, als eine Arbeitsweise nach der DE-OS 29 24 089 nur in schlechten Ausbeuten zu dem gewünschten Zwischenprodukt (III) führt.

Der Grund hierfür liegt darin, daß bei einer Arbeitsweise nach der DE-OS 29 24 089 im Verlauf der alkalischen Hydrolyse des intermediär gebildeten Carbamates (IV) das Oxazolidon (V) entsteht.

Dieses Oxazolidon (V) ist in allen üblichen Lösungsmitteln fast unlöslich, so daß zur Spaltung der Oxazolidonringe Bedingungen angewendet werden müssen, die zu einer erheblichen Bildung von Nebenprodukten, daß heißt zu geringen Ausbeuten an (III), führen. Aus diesem Grunde muß die Bildung des Oxazolidons (V) unbedingt vermieden werden.

Dies gelingt durch die erfindungsgemäße Arbeitsweise, bei der zur alkalischen Hydrolyse eine wäßrige 5 bis 20-prozentige Alkalihydroxidlösung, vorzugsweise eine 10-prozentige Natronlauge, verwendet wird. Hierbei sollte die Gesamtmenge an Alkalihydroxid jedoch mindestens die vierfache molare Menge der eingesetzten Vorstufe (II) betragen. Die zur Bildung von (III) benötigte Reaktionstemperatur beträgt 65 bis 80°C, vorzugsweise 70°C. Bei niedrigeren oder höheren Temperaturen verläuft die Umsetzung mit schlechteren Ausbeuten unter Bildung von (V) oder Zersetzung von (III). Bei Anwendung der bevorzugten Reaktionsbedingungen beträgt die Reaktionszeit etwa 20 Minuten.

Durch die oben beschriebene Arbeitsweise wird eine Herstellung von (III) in hohen Ausbeuten ermöglicht, da das äußerst schwer lösliche Oxazolidon (V) weder isoliert wird noch intermediär in solchen Konzentrationen entsteht, daß Löslichkeitsprobleme auftreten.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren (Verfahren B), das auf dem unten beschriebenen Weg über ein Sulfonamid des 4-Chlor-3-nitro-anilins abläuft.

Verfahren B

R = Aryl (insbesondere Phenyl und Tolyl)

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren B wird zunächst die primäre Aminogruppe im 4-Amino-1-chlor-2-nitro-benzol (VI) mit einem Arylsulfonsäurechlorid, vorzugsweise einem Benzol- oder Toluolsulfonsäurechlorid, zum entsprechenden Sulfonamid (VII) umgesetzt. Sodann wird das Sulfonamid (VII) mit Ethyljodid zu (VIII) alkyliert und mit Monoethanolamin in das 4-(N-Ethyl-arylsulfonamido)-1-[(2′-hydroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol (IX) überführt. Anschließend wird aus (IX) die Arylsulfonylgruppe mit Schwefelsäure abgespalten und das erhaltene 4-Ethylamino-1-[(2′-hydroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol (X) mit 2-Chlorethanol zum Endprodukt (I) umgesetzt.

Problematisch bei diesem Verfahren ist die Abspaltung der Arylsulfonylgruppe aus dem Sulfonamid (IX). Aufgrund der großen Stabilität von (IX) erfordert die Spaltung normalerweise derart drastische Reaktionsbedingungen, daß das gebildete, vergleichsweise labile, 4-Ethylamino-1- [(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol (X) sehr schnell zersetzt wird. Überraschenderweise wurde nun aber gefunden, daß bei genauer Einhaltung der erfindungsgemäßen Reaktionsbedingungen, insbesondere der Schwefelsäurekonzentration, der Reaktionstemperatur und der Reaktionszeit, die gewünschte Vebindung (X) durch Spaltung von (IX) mit Schwefelsäure in guten Ausbeuten erhalten wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Abspaltung der Sulfonylgruppe aus (IX) mit 45 bis 70-prozentiger Schwefelsäure, vorzugsweise 48-prozentiger Schwefelsäure, bei einer Temperatur von 95 bis 130°C, vorzugsweise 120 bis 122°C. Wird eine Schwefelsäure mit einer höheren Konzentration als der bevorzugten Konzentration verwendet, so erniedrigt sich die optimale Reaktionstemperatur entsprechend. Umgekehrt ist bei der Verwendung einer Schwefelsäure mit geringerer Konzentration eine höhere Reaktionstemperatur erforderlich. So beträgt bei vergleichbarer Ausbeute beispielsweise die Reaktionstemperatur 95°C bei Verwendung einer 70-prozentigen Schwefelsäure, 120 bis 122°C bei Verwendung einer 48-prozentigen Schwefelsäure und 130°C bei Verwendung einer 45-prozentigen Schwefelsäure. Die optimale Reaktionszeit ergibt sich aus der Schwefelsäurekonzentration und der Reaktionstemperatur. Bei den bevorzugten Reaktionsbedingungen, 120 bis 122°C/48-prozentige Schwefelsäure, beträgt sie 15 Minuten. Bei Verwendung von 70-prozentiger Schwefelsäure und einer Reaktionstemperatur von 95°C werden dagegen bei einer Reaktionszeit von 25 Minuten die besten Ausbeuten erzielt.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes, ohne diesen hierauf zu beschränken.

Beispiele Verfahren A 1. Stufe: 1,4-Bis-[(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitrobenzol

153 g (1 mol) 1,4-Diamino-2-nitro-benzol und 150 g (1,5 mol) Calciumcarbonat werden in 400 ml Dioxan auf dem siedenden Wasserbad erwärmt. Man läßt 250 ml (2,4 mol) Chlorameisensäurechlorethylester zutropfen. Anschließend wird die Reaktionsmischung so lange erhitzt, bis nach Dünnschichtchromatogramm (Kieselgelfertigplatte 0,25 mm, Fa. Merck; Laufmittel Methylenchlorid mit 10 Prozent Methanol; Detektion durch Besprühen mit einer 1-prozentigen Lösung von p-Dimethylamino-benzaldehyd in 20-prozentiger Salzsäure: die Monoacylverbindung färbt sich orange, die Diacylverbindung reagiert nicht) beide Aminogruppen umgesetzt worden sind. Hierfür werden etwa 2 Stunden benötigt. Man gießt auf Eis und zersetzt das überschüssige Calciumcarbonat mit Salzsäure. Anschließend saugt man ab und wäscht gründlich mit Wasser bis zur neutralen Reaktion der Substanz. Die Ausbeute ist nahezu quantitativ.

Zur Hydrolyse werden 250 g des feuchten β-Chlorethylesters mit 1400 ml kalter 10-prozentiger Natronlauge versetzt und unter Rühren auf 70°C (Innentemperatur) erwärmt. Diese Temperatur hält man während 20 Minuten, läßt dann abkühlen und versetzt mit Essigsäure (starke CO₂-Entwicklung), bis sich ein Niederschlag abzuscheiden beginnt. Nach mehrstündigem Stehenlassen saugt man die abgeschiedene Verbindung ab.
Schmelzpunkt: 100°C
Ausbeute: 174,8 g (72,5 Prozent der Theorie, bezogen auf die eingesetzte Menge an 1,4-Diamino-2-nitro- benzol)
Das 1,4-Bis-[(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol kann durch Umkristallisation aus Acetonitril noch weiter gereinigt werden.

2. Stufe: 4-[Ethyl-(2′-hydroxyethyl)-amino]-1-[(2′-hydroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol

Eine Mischung von 56 g (0,23 mol) 1,4-Bis-[(2′-hydroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol aus Stufe 1, 84 g (1 mol) Natriumhydrogencarbonat und 120 ml Wasser wird auf 80°C erwärmt. Dann gibt man 50 ml (58,87 g = 0,382 mol) Diethylsulfat hinzu, Hierbei tritt eine starke Kohlendioxid- Entwicklung ein (Blasenzähler). Ist diese beendet, fügt man noch einmal 10 ml (15,42 g = 0,077 mol) Diethylsulfat hinzu und erhöht nach beendeter Reaktion die Badtemperatur für 1 Stunde auf 140°C, um überschüssiges Diethylsulfat zu zerstören.

Nach dem Abkühlen wird mit Essigester extrahiert. Die vereinigten Essigesterphasen werden über Natriumsulfat getrocknet, und das Lösungsmittel wird im Vakuum abdestilliert. Zur weiteren Reinigung löst man den Rückstand in 150 ml Isopropanol und setzt 18 ml konzentrierte Salzsäure hinzu. Das ausgefallene gelbe Hydrochlorid wird abgesaugt, mit Isopropanol gewaschen und getrocknet.
Ausbeute: 41 g (58,3 Prozent der Theorie, bezogen auf die eingesetzte Menge der Verbindung aus Stufe 1)

Zur Herstellung der freien Base werden 41 g Hydrochlorid in Wasser gelöst und mit Ammoniak versetzt. Die Lösung wird sodann mit Essigester extrahiert. Nach Eindampfen des Essigesters kristallisiert die Base aus und kann aus Benzol umkristallisiert werden.
Schmelzpunkt: 62°C
Ausbeute: 27 g (75 Prozent der Theorie)

Verfahren B 1. Stufe: 1-Chlor-2-nitro-4-benzolsulfonamido-benzol

172,5 g (1 mol) 4-Amino-1-chlor-2-nitro-benzol werden in 400 ml Pyridin unter Erwärmen gelöst. Man läßt 193 g (1,09 mol) Benzolsulfochlorid langsam zutropfen und erhitzt noch 1 Stunde auf 120°C (Badtemperatur).

Anschließend gießt man die Lösung auf Eis und saugt das 1-Chlor-2-nitro-benzolsulfonamido-benzol ab. Die Verbindung wird aus Ethanol/Wasser umkristallisiert.
Schmelzpunkt: 153°C
Ausbeute: 298 g (95 Prozent der Theorie)

2. Stufe: 1-Chlor-2-nitro-4-(N-ethyl-benzolsulfonamido)- benzol

31,25 g (0,1 mol) der Verbindung aus Stufe 1 werden mit 13,5 g (0,24 mol) Kaliumhydroxid in 100 ml Wasser gelöst und anschließend auf 70°C erwärmt. Nun werden sehr langsam, innerhalb von 2 Stunden, 31 g (0,2 mol) Jodethan zugetropft. Nach dieser Zeit beginnt sich die Ethylverbindung abzuscheiden. Man erwärmt noch weitere 2 Stunden lang und läßt abkühlen. Nach dem Absaugen wird das Produkt aus Ethanol/Wasser umkristallisiert.
Schmelzpunkt: 128°C
Ausbeute: 23 g (68 Prozent der Theorie, bezogen auf die eingesetzte Menge der Verbindung aus Stufe 1)

3. Stufe: 4-(N-Ethyl-benzolfulfonamido)-1-[(2′-hydroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol

23 g (0,068 mol) Chlorverbindung der Stufe 2 werden in 10 ml Dimethylsulfoxid mit 13,5 (0,22 mol) Monoethanolamin bei 100°C 2 Stunden lang gerührt.

Anschließend wird die Lösung auf Eis gegossen und das Sulfonamid abgesaugt. Nach der Umkristallisation aus Ethanol/Wasser schmilzt das orange Produkt bei 105°C.
Ausbeute: 22,5 g (91,5 Prozent der Theorie, bezogen auf die eingesetzte Menge der Chlorverbindung der Stufe 2)

4. Stufe: 4-Ethylamino-1-[(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro- benzol

14 g (0,038 mol) des Sulfonamids aus Stufe 3 werden in 25 ml 48-prozentiger Schwefelsäure 15 Minuten lang auf 120 bis 122°C (Innentemperatur) erwärmt. Anschließend läßt man abkühlen und fällt durch Neutralisation mit Ammoniak die freie Base aus, die unter Nachwaschen mit wenig Wasser abgesaugt wird.

Nach dem Trocknen beträgt die Ausbeute 6,8 g (77,3 Prozent der Theorie, bezogen auf die eingesetzte Menge des Sulfonamids aus Stufe 3). Die roten Kristalle schmelzen nach dem Umkristallisieren aus Toluol bei 96 bis 98°C.

5. Stufe: 4-[Ethyl-(2′-hydroxyethyl)-amino]-1-[(2′-hydroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol

6,8 g (0,027 mol) 4-Ethylamino-1-[(2′-hydroxyethyl)-amino]- 2-nitro-benzol aus Stufe 4 werden in 6 g (0,075 mol) 2-Chlor-ethanol gelöst. Zu dieser Lösung läßt man 3 g (0,075 mol) Natriumhydroxid in 30 ml Wasser bei 120°C unter Rühren sehr langsam zutropfen. Nach 2 Stunden Reaktionszeit versetzt man nochmals mit 6 g (0,075 mol) 2-Chlor-ethanol und 3 g (0,075 mol) Natriumhydroxid in 30 ml Wasser wie oben beschrieben. Die Reaktionszeit ist nach 8 Stunden beendet. Man extrahiert mit Essigester und behandelt die vereinigten Essigesterphasen wie in Verfahren A (2. Stufe) beschrieben.
Schmelzpunkt: 62°C
Ausbeute: 5,1 g (62,7 Prozent der Theorie, bezogen auf die eingesetzte Menge an 4-Ethylamino-1-[(2′- hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol)

Alle in der vorliegenden Anmeldung angegebenen Prozentzahlen sollen Gewichtsprozent darstellen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von 4-[-Ethyl-(2′-hydroxyethyl- amino]-1-[(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol, dadurch gekennzeichnet, daß man 1,4-Diamino-2-nitrobenzol mit Chlorameisensäurechlorethylester in Gegenwart von Calciumcarbonat umsetzt, das Umsetzungsprodukt einer alkalischen Hydrolyse unterwirft und das nach der Neutralisation erhaltene 1,4-Bis-[(2′-hydroxyethyl)- amino]-2-nitro-benzol mit Diethylsulfat zum 4-[Ethyl- (2′-hydroxyethyl)-amino]-1-[(2′-hydroxyethyl)-amino]- 2-nitro-benzol alkyliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die alkalische Hydrolyse in 5 bis 20-prozentiger Alkalihydroxidlösung, vorzugsweise 10-prozentiger Natronlauge, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die alkalische Hydrolyse bei einer Temperatur von 65 bis 80°C, vorzugsweise 70°C, durchgeführt wird.

4. Verfahren zur Herstellung von 4-[Ethyl-(2′-hydroxyethyl)- amino]-1-[(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol, dadurch gekennzeichnet, daß man die primäre Aminogruppe im 4-Amino-1-chlor-2-nitro-benzol mit einem Arylsulfonsäurechlorid zum entsprechenden Sulfonamid umsetzt, dieses sodann mit Ethyljodid alkyliert, das Reaktionsprodukt mit Monoethanolamin in das 4-(N-Ethyl-aryl- sulfonamido)-1-[(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol überführt, anschließend die Arylsulfonylgruppe mit Schwefelsäure abspaltet und das erhaltene 4-Ethylamino-1- [(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol mit 2-Chlor- ethanol zum 4-[Ethyl-(2′-hydroxyethyl)-amino]-1- [(2′-hydroxyethyl)-amino]-2-nitro-benzol umsetzt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspaltung der Arylsulfonylgruppe in 45 bis 70-prozentiger Schwefelsäure, vorzugsweise 48-prozentiger Schwefelsäure, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Abspaltung der Arylsulfonylgruppe bei einer Temperatur von 95 bis 130°C, vorzugsweise 120 bis 122°C, erfolgt.